电器学第1章电器概论ppt课件

电器学第1章概论张白帆 厦门理工电气工程与自动化学院 本节主要内容 电器的定义和分类典型电器的结构电器研究的主要理论电器技术的发展第1章的思考题和习题 1 电器的定义和分类 电器的定义凡是根据外界指定信号和要求 自动或手动接通和断开电路 断续或连续地改变电路参数 以实现对电路或非电对象切换 控制 保护 检测 变换和调节用的电气设备都属电器的范畴 电器的任务 对电力系统或者电路实行通 断操作转换和电路参数变换 对电动机实行起动 停止 正转 反转 调速 完成控制任务 对电路负载实施过载 过电压 欠电压 短路 断相 三相负载不平衡 接地等保护 在电路中传递 变换 放大信号 实现自动检测和参数自动调节的功能 电器的定义和分类 电器的分类1 按电压等级分 高压电器和低压电器2 低压电器 1000Vac和1500Vdc以下 进一步分类为 配电电器控制电器终端电器3 高压电器 3000V以上 进一步分类为 开关电器限制电器变换电器组合电器 2 典型电器的结构原理 电器的4个组成部分 感测部分感测部分用于接受外界的指令或者信号 逻辑判断部分对输入信号进行必要的逻辑判断 以便确定电器的工作状态 执行部分电器通过执行部分来完成任务 传动及操作机构某些电器需要通过操作机构来完成特定的工作任务 2 典型电器的结构原理 交流接触器的结构图1 4所示为直动式交流接触器结构 磁系统通过联动机构带动触头运动 线圈通电后 导磁体磁化 产生电磁吸力将衔铁 动铁心 吸向静铁心 铁心 衔铁带动联动机构使动触头与静触头闭合 联动机构同时带动置于两侧的辅助触头动作 线圈断电后 在反作用弹簧的作用下 衔铁被释放 同时使触头分断 2 典型电器的结构原理 直流接触器的结构直流接触器广泛应用于直流电力线路中 供远距离接通与分断电路及直流电动机的频繁起动 停止 反转或反接制动控制 以及电磁操作机构合闸线圈或频繁接通和断开电磁铁 电磁阀 离合器和电磁线圈等 图1 6所示为直流接触器外形图 图1 7中 曲线ab是衔铁上的静态吸力特性 随着衔铁气隙6的减小 电磁吸力F增大 cdef折线表示阻力即反力特性 为了保证接触器的可靠闭合 电磁吸力特性ab必须高于cdef 2 典型电器的结构原理 电磁式继电器的基本结构及工作原理电磁式继电器具有感测部分 逻辑判断部分 执行部分及操作机构 电磁式继电器主要是由3部分所构成 即 电磁系统 触头系统 灭弧系统 电磁系统由激磁线圈1 铁心柱2 轭铁3 衔铁4和系统反力弹簧5等组成 而止挡6的作用是限制衔铁4的旋转角度 从而限定衔铁4与铁心柱2之间气隙 的大小 触头系统由常闭触点C0和C1 常开触点C0和C2构成 C0在衔铁4的作用下可以运动因此称为动触点 C1和C2被固定于绝缘支架7上相对静止故被称为静触点 动静触点间的空气气隙是灭弧系统 电磁式继电器的感测部分由电磁系统组成 逻辑判断部分包括电磁系统和反力弹簧等部件 执行部分由触头系统构成 操动机构则由电磁系统 反力弹簧等部件组成 2 典型电器的结构原理 电磁式继电器的基本结构及工作原理 1 当电磁式继电器的激磁线圈通电后 激磁线圈电流逐渐增加并在电磁系统中产生磁通 其中衔铁与铁心之间气隙中的磁通 称为工作气隙磁通 将作用于衔铁 随着工作磁通逐渐增加 作用于衔铁上的电磁吸力 转矩 也越来越大 当电磁吸力大于系统反力时 衔铁将绕其转动轴转动带动其执行部分 触头系统 的动触头C0运动 从而实现常开触头和常闭触头变位 2 激磁线圈断电后 激磁线圈电流逐渐减小 电磁系统中的磁通也逐渐降低 工作气隙磁通也随之降低 作用于衔铁上的电磁吸力越来越小 当电磁吸力小于衔铁反力时 衔铁在系统反力的作用下开始向其初始位置返回 带动动触点C0向其初始位置运动 直至常开触点和常闭触头复位 2 典型电器的结构原理 3 将继电器的激磁线圈输入端X看成是元件的输入 将触头系统中触点的变位Y看成是元件的输出 则继电器输入 输出特性如右图所示 设Y0和Y1分别为继电器常开触点的初始态和动作态 当XXd后 Y从Y0跃变至Y1 Xd称为继电器的动作值 当X持续大于Xd时继电器常开触点的状态将不再改变 此后逐渐降低X 只要X Xf 继电器常开触点始终处于闭合位置 当X Xf Y Y0 继电器的常开触点返回到初始位置 Xf被称为继电器的返回值 电磁式继电器的动作值与返回值之差 X被定义为回差 这种输出状态改变时其动作值大于其返回值的特性 被称为继电器 开关电器 的继电特性 2 典型电器的结构原理 返回系数Kf 式中 Xf为继电器的返回值 Xd为动作值 返回系数反应了电器的继电特性明显程度 通常返回系数小于1 控制系数KC 式中 PC为电器触点上输出的控制功率 即电器触点的工作电压乘以触点允许的最大通断电流 P0为电器线圈从电源吸取的最小动作功率 控制系数反映了电器的功率控制能力灵敏度 电器在规定负载条件下的最小工作功率P0吸合动作时间 电器从获得输入信号到触头完成动作所经历的时间释放时间 电器从获知断开输入信号开始到触头完成相应的动作为止所经历的时间 2 典型电器的结构原理 开关电器的转换深度任何开关的触点都是具有接触电阻的 设RDK为开关断开电路时的电阻值 RJT为开关接通电路时的电阻值 h为开关电器的转换深度 我们有 有触点电器 h 1010 1014 无触点电器 h 104 107 有触点电器具有高转换深度 使得电器执行接通任务时电能损耗小 执行开断任务时电路电阻大 从而保证电器的耐压水平 缺点是断开电路时触头间的电弧会影响开关电器的使用寿命 无触点电器虽然执行开断任务时无电弧 但接通电阻大 电能损耗也大 发热严重 电器学中的电器 一般都是有触点的电器 3 电器研究的主要理论 电器产品种类繁多 其结构及工作原理也不尽相同 电器学研究的就是电器所应遵循的规律 由此总结出的相关理论 这些理论是电器研究 设计和生产的基础 根据电器的基本定义 电器是一种电气元件或设备 因此 电器学理论也必然基于电学和磁学理论 例如 通电导体将会发热 这就涉及电器的发热理论 载流导体在磁场中将会受到电动力的影响 这涉及电器的电动力理论 电流产生磁场 特别是在良好导磁材料中 这一现象更加明显 而磁场中磁力线的收缩特性 将会在导磁体与空气交界面产生电磁力 这就涉及电器的电磁机构理论 两导体相接触时 在其接触面处会产生附加的接触电阻 这将涉及电器的电接触理论 在有触点开关电器中 当其触头分断具有一定能量的电路 负荷 时 会在触头间产生电弧 这些将会在电器学的电弧理论中加以研究 3 电器研究的主要理论 电器研究有5大理论 分别是 1 发热理论集肤效应 临近效应和电阻性发热 电器的热稳定性分析 电器的发热理论将研究电器在长期 短时和反复短时工作制下的发热 冷却过程及其过载能力 同时 将会研究导电部件在大电流但通电时间极短 例如导线上存在短路电流 作用下电器的发热 并校验导体在短时温升下的可靠程度 2 电动力理论对各种不同形状的載流导体进行电动力分析 短路电流分析 电器的动稳定性分析 电器电动力理论将研究各种几何形状载流体在不同形式电流作用下 在不同空间或平面分布时所受到电动力 以及如何计算该电动力 并考核电器在短路电流作用下的电动稳定性 3 电器研究的主要理论 3 电接触理论电接触的物理 化学过程和计算 触头闭合过程的振动 磨损和熔焊 电接触理论的主要研究内容包括电接触的物理与化学过程 电接触的热 电 磁以及金属变形等各种效应 接触电阻的物理化学本质及其计算 电接触元件当接触和分开过程中电接触元件的腐蚀磨损和金属迁移 触头在闭合操作过程中的振动 磨损和熔焊等 4 电弧理论气体击穿理论 各种放电理论 直流电弧和交流电弧理论 灭弧方法 电弧是有触点开关电器在分断电路过程中所产生的物理现象 开关电器触头上电弧的存在不仅延缓了电路开断的时间 而且还灼伤触头表面 使之工作不可靠和缩短使用寿命 因此 揭示气体放电以及电弧的形成机理 并尽快将电弧熄灭正是电器学中的电弧理论所要研究的内容 3 电器研究的主要理论 5 电磁机构理论磁场计算法 磁路计算法 场路结合计算法 电磁机构是自动化电磁式电器的重要组成 在电器中占有十分重要的位置 电器中电磁机构或电磁装置的结构型式很多 它既不同于变压器的静止铁心 又不同于旋转电机不变的均匀气隙 而是一种具有可动铁心和可变气隙的电磁装置 因此 电磁机构理论是涉及电磁一力一运动的综合理论 4 电器技术的发展 电器行业的产生和发展是和电能的使用分不开的 无论是在强电领域还是在弱电领域都需要使用电器 在强电领域中 根据电器所控制的对象有电力系统与配电系统和电力拖动两大应用领域 在电气拖动领域 电器的发展历程如下 从手动操作到自动操作的过程 从开关 调节和保护的作用发展到更多功能 例如控制 检测和变换等 的过程 从有触点电器发展到无触点电器的过程 从单个元件发展到组合电器和成套装置的过程 在电力系统与配电系统领域中 电器的发生和发展的演变过程亦相类似 4 电器技术的发展 电器应用初期 低压电力网广泛使用刀开关和熔断器 利用刀开关可以完成正常情况下切换电路和隔离电路的作用 而熔断器则在故障情况下起到对电路或用电设备过载和短路的保护作用 熔断器结构简单 只能一次性操作 一旦熔断器动作后 即其熔体熔断后 必须更换熔体或整个熔断器 刀开关一般只能手动投入 不适宜远程操作 而且执行机能也弱 不能满足电力系统传输功率越来越高的需要 于是开发出了具有更强的执行机能和感测机能的自动空气断路器 电力系统中的核心设备 高压断路器的结构演变是随着灭弧原理与灭弧装置不断创新而发展的 它经历了从多油灭弧到少油灭弧 从压缩空气吹弧到真空灭弧 从一般的空气 油气到SF6负电性气体灭弧 不仅如此 高压电器从户外式 户内式单独结构上发展到SF6全封闭